Солнечно-земная Физика проект "СиЗиФ"

Е.E. Антонова Конвекция и структура токов в магнитосфере Земли Обзорная статья в сборнике НИИЯФ МГУ, посвященном памяти Б.А. Тверского

ч.4

• Введение  
• Градиенты давления и электрические поля
• Квазивязкие взаимодействия, магнитное пересоединение и градиенты давления плазмы как источники крупномасштабных электрических полей
• Турбулентность высокоширотной магнитосферы
• Восточный кольцевой ток и токовые системы в высокоширотной магнитосфере
• Следы плазмоидов и формирование дисперсных структур частиц в плазменном слое
• Выводы и обсуждение
• Литература

Восточный кольцевой ток и токовые системы в высокоширотной магнитосфере

Проведенное выше рассмотрение показывает, что знание топологии высокоширотных токовых систем особенно важно для понимания процессов во время магнитных возмущений. Однако до сих пор в данном вопросе нет окончательной ясности. Текущие на магнитопаузе токи Чепмена-Ферраро возникают как следствие диамагнетизма плазмы. Их величина определяется балансом динамического и статического давления плазмы солнечного ветра и внутримагнитосферного давления. Во всех областях магнитосферы, где плазменный параметр , где p – давление плазмы, B – магнитное поле (например, в подсолнечной точке), основной вклад в полное давление вносит магнитное давление и плазменным давлением можно пренебречь. Плазменный параметр b ³ 1 в прикаспенных областях и в областях пересечения плазменного слоя с магнитопаузой. В этих областях необходим учет вклада давления плазмы внутри магнитосферы при расчете баланса полного давления. Необходимо отметить, что используемое в ряде моделей магнитного поля условие равенства нулю нормальной к магнитопаузе компоненты магнитного поля (условие полной экранировки внутримагнитосферного поля токами магнитопаузы) без учета баланса давлений приводит к большим расхождениям модельных значений поля и данных экспериментальных наблюдений. В ньютоновском приближении динамическое давление солнечного ветра равно , где y - угол между направлением солнечного ветра и нормалью к магнитопаузе. Динамическое давление солнечного ветра много больше статического, поэтому статическое давление учитывается только на флангах магнитосферы, где угол y становится близким к p /2. Приближение газодинамического обтекания (см. Spreiter et al. [1966]) дает более точные значения давления солнечного ветра вблизи магнитопаузы. В любом случае, давление солнечного ветра максимально в подсолнечной точке и достаточно быстро убывает с переходом к магнитосферным флангам. Полное магнитосферное давление, уравновешивающее давление плазмы солнечного ветра вблизи магнитопаузы, не может быть больше динамического давления солнечного ветра в подсолнечной точке.

Традиционно обсуждаемая система магнитосферных токов (см. рис. 6 а), вносящих основной вклад в возмущение внутримагнитосферного магнитного поля, включает токи на магнитопаузе (MC), замыкающиеся на магнитопаузе токи хвоста (TC), кольцевой ток (RC) и продольные токи зон I и II (последние на рис. 6 не показаны). Во время подготовительной фазы суббури в ночные часы на геоцентрических расстояниях, превышающих 5, наблюдается уменьшение компоненты магнитного поля и увеличение радиальной компоненты, что вызывает вытягивание магнитных силовых линий в хвост магнитосферы. Данное вытягивание традиционно приписывается увеличению тока хвоста магнитосферы. Увеличение составляет ~ 100 nTl, что соответсвует увеличению плазменного давления ~ 4 nPa. При этом, как правило, z-компонента межпланетного магнитного поля <0, а динамическое давление солнечного ветра ~ 1-2 nPa. Нетрудно однако видеть, что предположения о росте TC и соответствующего увеличения плазменного давления находится в противоречии с условием баланса давления на магнитопаузе в областях вблизи области замыкания хвостового тока токами магнитопаузы. В этих областях увеличение полного давления внутри магнитосферы не может превышать давления солнечного ветра. Действительно, в соответствии с соотношением (11) давление плазмы постоянно не только на магнитной силовой линии, но и на линии тока. Таким образом, увеличение давления плазмы на токовых линиях, пересекающих магнитопаузу, не может превысить давления солнечного ветра вблизи пересекаемой области магнитопаузы. Если в данной области пространства наблюдается давление плазмы превышающее давление плазмы солнечного ветра, токовая линия проходящая через рассматриваемую область должна замыкаться внутри магнитосферы. Данные наблюдений плазменного давления на больших геоцентрических расстояниях свидетельствуют в пользу замыкания линий тока ближних областей магнитосферного хвоста внутри магнитосферы. При этом, увеличение давления в ближних областях хвоста должно соответствовать увеличению внутримагнитосферных токов.

б – содержащая разрезной кольцевой ток

Во внутренних областях магнитосферы магнитное поле достигает минимального значения на экваторе. Соответственно, поперечный ток в изотропной плазме сосредоточен вблизи плоскости экватора. Анизотропия давления при поперечном давлении, превышающем параллельное, приводит к еще большей концентрации тока в экваториальной плоскости. С ростом геоцентрического расстояния анизотропия давления уменьшается и давление становится близким к изотропному (см. Lui and Hamilton [1992]). В силу сжатия дневной части магнитосферы на геоцентрических расстояниях >7 минимум геомагнитного поля (см., например, Антонова и Шабанский [1968], Shabansky [1968], Antonova and Ganushkina [1997]) находится вне экваториальной плоскости. Высокоширотный поперечный ток, обусловленный градиентом давления, должен быть сосредоточен вне экваториальной плоскости в дневные часы и вблизи экваториальной плоскости в ночные часы. Таким образом, высокоширотный кольцевой ток имеет вид разрезанного в дневные часы кольца, а в токовую систему магнитосферы в дополнение к уже известным токам необходимо добавить CRC – ток разрезного кольца (рис. 6 б). Величина интегрального тока в CRC определяется радиальными градиентами давления и объемами магнитных силовых трубок. Он локализован в области от 5-7 до магнитопаузы в дневные часы и, вероятно, до 10-15 в ночные. Однако, данный вопрос требует дополнительных исследований. Следует отметить, что магнитное поле CRC во внутренних областях магнитосферы близко к однородному и его трудно отличить от магнитного поля хвостового тока в случае, если бы последний замыкался токами дневной магнитопаузы. Но в отличие от токов магнитопаузы, данный ток обусловлен внутримагнитосферными градиентами давления и при его увеличении не возникает проблемы с балансом давления на магнитопаузе. Локализация CRC позволяет связать вытягивание магнитных силовых линий в ночные часы во время предварительной фазы суббури с ростом, в основном, данного тока, а не токов хвоста, замыкающихся на магнитоаузе.

Важным изменением в рассмотрении динамики высокоширотной токовой системы должно стать изменение устоявшихся представлениях о направлении кольцевого тока и возмущении магнитного поля на Земле, вызываемых кольцевым током. В соответствии с соотношением (11) в области плазменных градиентов направленных к Земле, ток имеет западное направление, от Земли - восточное (дрейфовое движение ионов всегда направлено на запад, а электронов на восток,

но интегральное направление тока определяется суммой дрейфового и диамагнитного токов). Если в некоторой области градиент давления равен нулю, то ток в данной

Рис. 7. Схема, иллюстрирующая распределение давления в магнитоспокойных (толстая

разность профилей давления

области отсутствует. На рис. 7 сплошной толстой кривой схематически показано радиальное распределение давления в магнитоспокойных условиях (Qp). При данном распределении давления на L<3 кольцевой ток имеет восточное направление (но вносит малый вклад в интегральное магнитное поле в силу больших значений экваториального магнитного поля), а при L>3 – западное. Магнитное поле, вносимое невозмущенным кольцевым током, не входит в вариацию. вариация определяется профилем разности давлений в магнитовозмущенных (Dp) и спокойных условиях (d p= Dp-Qp). При любом возрастании давления на больших геоцентрических расстояниях даже в случае, если во всей высокоширотной области сохраняется направление градиента давления к Земле, d p содержит область направленных от Земли градиентов, а следовательно кольцевой ток, вызывающий изменение магнитного поля вблизи Земли, имеет высокоширотную восточную компоненту. Если при возрастании высокоширотного давления на профиле давления образуется плато (Ñ Dp=0), то весь эффективный кольцевой ток будет иметь восточное направление. Восточный кольцевой ток производит положительное возмущение магнитного поля вблизи Земли и отрицательное на больших геоценрических расстояниях. Развитие восточного кольцевого тока во время предварительной фазы суббури, происходящее в результате увеличения давления во внутренних областях ловушки, приведет к уменьшению магнитного поля в подсолнечной точке и, соответственно, к движению магнитопаузы к Земле. Уменьшение компоненты магнитного поля в хвосте магнитосферы должно приводить к вытягиванию силовых линий в хвост. Резкое нарастание восточного кольцевого тока может вызвать изменение знака компоненты, т.е. может образоваться X-точка или X-линия. Образование такой области во многих моделях рассматривается как причина начала взрывной фазы суббури и формирования плазмоида – области нагретой плазмы. При этом, так как источник рассмотренного вытягивания локализован во внутренних областях магнитосферы, а изменение магнитной конфигурации имеет импульсный характер с характерными временами порядка времени распространения МГД волны, несущей информацию об изменении поля, первоначальное обращение поля будет иметь место во внутренних областях, а возмущение - распространяться из внутренних областей во внешние. Таким образом, учет существования высокоширотного кольцевого тока дает возможность пролить свет на одну из наиболее сложных проблем взрывной фазы суббури – начале возмущений глубоко внутри магнитосферы (первой уярчается ближайшая к экватору дуга полярного сияния) на геоцентрических расстояниях ~ 7-8..

В дипольном магнитном поле плазма малого давления, энергия которой равна e , создает депрессию магнитного поля в центре ловушки , определяемую соотношением Десслера-Паркера-Скопке (см. Dessler and Parker [1959], Skcopke [1966])

где - энергия дипольного магнитного поля, нТл. Siscoe [1970], Carovillano and Siscoe [1973] показали, что соотношение Десслера-Паркера-Скопке является следствием применения теоремы вириала при нулевом давлении на границе ловушки. Рис. 7 показывает, что возмущение магнитного поля вблизи Земли, даваемое кольцевым током, может существенно отличаться от возмущения, даваемого соотношением Десслера-Паркера-Скопке в силу ненулевых значений давления на больших геоцентрических расстояниях. Реальная конфигурация отличается от теоретической существованием конечного давления плазмы на границе ловушки. В дипольной магнитной ловушке объем магнитной силовой трубки W нарастает с ростом геоцентрического расстояния как . Таким образом, даже небольшое давление плазмы на больших геоцентрических расстояниях может вносить значительный вклад в энергосодержание ловушки и существование ненулевого давления плазмы на границе ловушки может привести к существенной модификации соотношения (16). Parker [1996] привел вывод соотношения (16) для случая изотропного давления при соблюдении условия магнитостатического равновесия, используя цилиндрическую систему координат (r,j ,z). При ненулевом давлении на границе ловушки, расположенной на расстоянии , возмущение магнитного поля вблизи Земли равно

, (17)

где . Полная кинетическая энергия частиц в ловушке равна

, (18)

В соответствии с приведенным выше анализом при вычислении вариации вместо полного давления в соотношение (17-18) необходимо подставлять возмущение давления. Если возмущение давления на границе ловушки, то соотношение (17) переходит в соотношение (16). Существование приводит к уменьшению возмущения поля в центре ловушки. Отметим также, что быстрые вариации будут приводить к быстрым вариациям Dst. Вычисление возмущения магнитного поля при изотропном давлении удобнее проводить, используя полученное Тверским [1997] выражение для возмущения магнитного поля, создаваемого плазмой между магнитными оболочками и с объемами магнитных силовых трубок и :

где и . В дипольном поле . Таким образом, для финитной ловушки давление в центре которой равно нулю

Соотношение (20) удобнее использовать, чем соотношение (18) для сопоставления измеренных профилей давления с Dst вариацией. Оно будет справедливо и при значительном (~ 20%) отклонениях от дипольной конфигурации. В соответствии с соотношением (20) при и нПа, давление плазмы во внешней части ловушки вносит положительный вклад в возмущение магнитного поля вблизи Земли ~ 20 нПа. Такое поле может практически компенсировать отрицательное поле, создаваемое давлением плазмы во внутренних областях магнитосферы, составляющее ~ 15 нПа. Возмущение поля, создаваемое диамагнитным током локализованным во внешних областях магнитосферы, трудно отличить от поля токов магнитопаузы, которые также создают положительное возмущение поля во внешних областях ловушки, используя только данные наземных наблюдений. Не вызывает сомнения, однако, что данные токи могут быть выделены по данным наблюдений на высокоапогейных спутниках.

Геомагнитная буря, имеющая значительную (превышающую 50 нТл) -вариацию, возникает как результат последовательного развития ряда магнитосферных суббурь (см., например, обзор Feldstein [1992]). Долгое время считалось, что магнитный эффект бури обусловлен развитием кольцевого тока, возникающего за счет инжекций во внутренние области магнитосферы ускоренных частиц. Однако, инжекция ускоренных частиц во время взрывной фазы суббури не приводит к возникновению заметной -вариации (см. McPherron [1997]). Попытка разрешить возникшее противоречие приводило к предположению о значительном вкладе в - вариацию замыкающегося токами магнитопаузы тока хвоста магнитосферы. Изолированная геомагнитная суббуря не приводит к заметному нарастанию - вариации. Однако при этом регистрируются значительные вариации хвостового тока. Следовательно, если справедливо предположение о вкладе в - вариацию хвостового тока, то необходимо постулировать принципиальное отличие токовых систем изолированных суббурь и суббурь во время магнитной бури. Нетрудно показать однако, что традиционная интерпретация возникновения -вариации как результата развития кольцевого тока находится в хорошем согласии с данными экспериментальных наблюдений. Инжекции частиц во внутреннюю магнитосферу во время взрывной фазы суббури приводят к нарастанию внутримагнитосферного давления. Если бы зафиксированное увеличение давления было бы азимутально симметрично, величину возникающей -вариации можно было бы оценить в соответствии с соотношением (19). В соответствии с соотношением (19) повышение изотропного давления на 3 нПа на геостационарных расстояниях от 5 до 10 в дипольной ловушке приведет к = - 45 нТл. За одну инжекцию давление нарастает только в ограниченном по долготе секторе, что не вызывает симметричного по долготе увеличения давления. Симметризация инжектированной плазмы приведет к азимутально симметричному увеличению давления на . Поэтому инжекция в секторе ~ p /6¸ p /3 приведет к ~ -4¸ 8 нТл. Более мощные суббури, происходящие в глубоких магнитосферных областях, вызывают большие вариации давления. Соответственно ряд суббурь может обеспечить необходимую для объяснения вариацию давления.

дальше: